삼엽 심장 판막의 유체-구조 상호작용(FSI)

■ 삼엽 심장 판막이란 무엇이며 왜 주의해야 합니까?

그림 1 삼엽 심장 판막(출처: https://www.novostia.com/patient-benefits )

질병통제예방센터(CDC) 는 미국 국립 공중 보건 기관입니다. CDC에 따르면 미국 인구의 약 2.5%가 심장에 있는 4개의 판막 중 하나가 손상되거나 질병인 판막 심장병으로 고통받고 있습니다. 전 세계적으로 매년 약 250,000개의 인공 심장 판막이 이식되는 것으로 추정됩니다.

최초의 인공 심장 판막은 볼 판막으로, Hufnagel에 의해 도입되어 1952년에 이식되었습니다(참고 1 참조). 기본적으로 강체 운동의 원리를 기반으로 하는 밸브입니다. Trileaflet 밸브는 나중에 도입되었습니다. 유연한 전단지의 변형으로 인해 열리고 닫힙니다. 여기 에서 심장 판막의 진화에 대한 전체 역사를 읽을 수 있습니다 .

현대식 강성 밸브는 플라스틱, 탄소 또는 금속으로 만들어집니다. 그들은 견고하고 평생 지속됩니다. 불행히도 혈액이 판막에 달라붙는 경향이 있어 환자는 혈액 희석제를 복용해야 합니다.

반면에 삼엽충 조직 판막은 조직으로 만들어진 소엽을 특징으로 합니다. 조직은 인간 또는 동물 기증자로부터 채취합니다. 이러한 판막은 혈액 희석의 필요성을 완화하지만 내구성이 떨어집니다.

또는 조직을 고급 폴리머로 대체할 수 있습니다. 이러한 삼엽 중합체 판막은 내구성과 혈액 적합성을 결합할 가능성이 있습니다(참고 1 참조). 즉, 평생 지속할 수 있고 환자는 혈액 희석제를 복용할 필요가 없습니다.

■ FSI(유체-구조 상호작용)로 시뮬레이션하는 이유는 무엇입니까?

엔지니어링 관점에서 볼 때 주어진 작동 압력에 대해 밸브를 통해 흐르는 유체의 양을 아는 것이 매우 중요합니다. 즉, 밸브의 상류 및 하류에 주어진 압력에 대한 질량 유량은 얼마입니까? 이러한 성능 데이터는 실험이나 시뮬레이션을 통해서만 얻을 수 있습니다.

시뮬레이션의 주요 이점은 실험실에 접근할 필요도 없고 밸브의 프로토타입도 필요하지 않다는 사실입니다. 필요한 것은 컴퓨터와 정확한 FSI(유체 구조 상호 작용) 모델링이 가능한 CAE(Computer Aided Engineering) 소프트웨어뿐입니다. 유체 영역을 추출하고 이산화하고 이산화된 표현에서 유체 흐름의 지배 방정식을 풀어야 합니다.

그러나 유체 영역을 추출하려면 무엇이 필요합니까? 먼저 밸브의 개방형 구성이 필요합니다. 고정 밸브의 경우 기하학적 부품을 회전하거나 변환하여 밸브를 열거나 닫을 수 있습니다.

삼엽 밸브의 열린 구성을 얻는 것은 그렇게 간단하지 않습니다. 먼저 유연한 전단지의 변형을 계산해야 합니다.

아래 애니메이션은 Simcenter STAR-CCM+를 사용하는 삼엽 폴리머 밸브의 가장 최근 시뮬레이션에서 가져온 것입니다. Simcenter STAR-CCM+는 단일 통합 환경에서 유체 흐름 및 고체 역학의 지배 방정식을 풀 수 있고 원활한 유체 구조 상호 작용(FSI) 모델링이 가능하기 때문에 밸브 시뮬레이션에 이상적입니다.

심장 판막의 개폐를 보여주는 Simcenter STAR-CCM+의 애니메이션

■ Geometry 및 Mesh 

그림 2 심장 판막 시뮬레이션을 위해 Simcenter STAR-CCM+에 내장된 메시

Simcenter STAR-CCM+에서 심장 판막 개폐의 유체 구조 상호 작용(FSI) 시뮬레이션을 보여주는 비디오